Calcolo del fabbisogno di energia primaria degli impianti a pompa di calore

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1 Calcolo del fabbisogno di energia primaria degli impianti a pompa di calore G.L. Morini Laboratorio di Termotecnica Dipartimento di Ingegneria Industriale Viale Risorgimento 2, Bologna gianluca.morini3@unibo.it

2 Analisi energetica Pompe di Calore

3 Impianti polivalenti con FER Priorità di intervento dei generatori Fattore di carico del generatore con priorità 1: FC gn1 Q Q gn, out,1 gn, out 3

4 PdC A-A: Balance Point Mentre le richieste termiche di riscaldamento decrescono con la temperatura esterna, la curva caratteristica di una EHP (A A) cresce con essa. La PdC non è in grado di mantenere 20 C all interno del sistema per tutta la stagione invernale.

5 PdC: Balance Point Nomenclatura della UNI TS Q [kw] P BV dispersioni 15 potenza erogata W TOL q bival q H,cut-off q H,off Temperatura aria esterna [ C]

6 PdC ad aria con inverter: Balance line n max n 1 n 2 n 3 n min

7 PdC: Balance Point Caldaia W-A A-A Balance Point in relazione al tipo di pompa

8 COP medio effettivo: SCOP COP medio effettivo (SCOP) >< COP nominale Metodi di calcolo consigliati UNI Sorgente fredda Sorgente calda Aria Acqua a t costante Acqua a t variabile Aria esterna Bin Bin Bin Aria di recupero Mensile Mensile Mensile (t indipendente dal clima) Aria di recupero Bin Bin Bin (t dipendente dal clima) Terreno Mensile Mensile Mensile (sonda orizzontale) Terreno Mensile Mensile Mensile (sonda verticale) Acqua di pozzo/falda Mensile Mensile Mensile Acqua di fiume Mensile Mensile Mensile

9 Calcolo dei BIN t bin(i),mese(k) [h] BOLOGNA q bin(i) [ C] Ott. Nov. Dic. Gen. Feb. Mar. Apr

10 COP medio effettivo: SCOP BOLOGNA (dati UNI 10349)

11 Funzionamento Bivalente Fabbisogno per riscaldamento Bologna q ae [ C] E mese(k) [kwh] Gen Feb Mar Apr Ott Nov Dic

12 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) 35 Determinazione della Firma di progetto Mod.X Mod.X1 20 Mod.X temperatura esterna ( C)

13 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin 35 Sovrapposizione dei bin Mod.X Mod.X1 Mod.X temperatura esterna ( C)

14 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin 35 Sovrapposizione dei bin Mod.X Mod.X temperatura esterna ( C)

15 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin Sovrapposizione dei bin e scelta della PdC Mod.X temperatura esterna ( C)

16 Funzionamento Bivalente Pompa di calore + Resistenze elettriche Funzionamento alternativo E [kwh] Dispersioni Pompa di Calore back-up q bival =q H,cut-off Temperatura aria esterna [ C]

17 Funzionamento Bivalente Pompa di calore + Resistenze elettriche Funzionamento bivalente parallelo E [kwh] Dispersioni Pompa di Calore back-up q H,cut-off q bival Temperatura aria esterna [ C]

18 Funzionamento Bivalente SCOP Impianto bivalente alternativo (q H,cut-off =q bival ) SCOP SCOP tot Bologna W pdc [kwh] C pdc [%] on-off inverter Impianto bivalente parallelo (q H,cut-off =-5 C) Bologna on-off inverter

19 Esempio 1: pompa di calore elettrica Si consideri un edificio con un fabbisogno Q gn,out pari a kwh/anno ed un fabbisogno degli ausiliari Q aux pari a kwh/anno dotato di un impianto di riscaldamento a pompa di calore elettrica aria-acqua di tipo monovalente (ovvero in cui la pompa di calore elettrica sia l unico generatore di calore) a servizio di un edificio avente superficie energetica utile (SU) pari a 1000 m 2. Q del,i 15 Q exp,i Vettore energetico 11 (Q aux ) Energia elettrica (ausiliari) 5 6 (Q del ) Vettore energetico primario: en.elettrica SU=1000m 2 (Q RN ) Vettore energetico : en.rinnovabile Q gn,out = (kwh/anno) 19

20 Esempio 1: pompa di calore elettrica E pdc (kwh/mese) W pdc (kwh/mese) COP mensile (E pdc /W pdc ) Ottobre , Novembre ,12 6 Dicembre ,91 Gennaio ,55 Febbraio ,08 Marzo ,24 W pdc 4 3 E pdc 1 SU=1000m 2 TOTALE ,97 Q gn,out Valore medio stagionale SCOP Verifica se sia possibile per tale impianto considerare parte dell energia termica come energia rinnovabile: 1,15 SCOP 2,97 SCOPmin 0,46 2,50 20

21 Esempio 1: pompa di calore elettrica Vettore: en.elettrica Vettore: en. rinnovabile Q p j Q Fabbisogno energia termica (edificio), per il mese j gn, out, j 1 Q auxel,, j f p, el Q gn, out, j 1 j j COP COP COP: Coefficiente di prestazione, per il mese j j f p, RN Vale 0 [kwh/anno] In forma compatta, usando i coefficienti prestazionali stagionali: Q p Q SCOP Seasonal COP gn, out 1 Qauxel, f p, el Qgn, out 1 SCOP Q RN f Vale 0 p, RN [kwh/anno] 21

22 Esempio 1: pompa di calore elettrica Q gn, out Q p Qaux, el f p, el SCOP Q p [kwh/anno] EP i Q S P U [kwh/m 2 anno] 22

23 Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV Si consideri l impianto di riscaldamento a pompa di calore elettrica dell esempio precedente a servizio di un edificio dotato di impianto solare fotovoltaico. Q del,i (Q aux ) Energia elettrica (ausiliari) Q exp,i Energia elettrica autoprodotta (Q exp ) (kwh/anno) (Q del ) Vettore energetico principale: Energia elettrica (Q RN ) Vettore energetico en. rinnovabile Si ipotizzi che l impianto fotovoltaico abbia una potenza di picco pari a 12 kw p per una produzione pari a kwh/anno 23

24 Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV E pdc (kwh/mese) W pdc (kwh/mese) COP mensile (E pdc /W pdc ) Ottobre ,09 Novembre ,12 Dicembre ,91 Gennaio ,55 Febbraio ,08 Marzo ,24 TOTALE ,97 Qe exp,fv (kwh/mese) Q aux,el (kwh/mese) Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo TOTALE Q gn,out Valore medio stagionale SCOP Verifica se sia possibile per tale impianto considerare parte dell energia termica come energia rinnovabile: 1,15 SCOP 2,97 SCOPmin 0,46 2,50 24

25 Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV Q gn, out, j Q p ( Qaux, el, j Qexp, PV, j ) f p, el j COPj W pdc (kwh/mese) Q exp,fv (kwh/mese) Q aux,el (kwh/mese) Q P (kwh/mese) Ottobre (-85) Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo TOTALE L impianto FV produce 85 kwh in più di quelli consumati. Rimangono a disposizione per altri servizi energetici (ad es. illuminazione) [kwh/anno] 25

26 Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV W pdc (kwh/mese) Q exp,fv (kwh/mese) Q aux,el (kwh/mese) Q P (kwh/mese) Ottobre (-85) Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo TOTALE [kwh/anno] EP i Qp SU ,4 [kwh/m 2 anno] 26

27 Esempi numerici: edificio di riferimento Palazzina residenziale (E.1.1), 12 unità immobiliari, a Bologna (2259 GG), S= m 2, V= m 3, S/V=0.38, Sue=758.98m 2, Sq=253m 2.

28 Edificio di riferimento Riscaldamento: Fabbisogni termici ed elettrici.

29 Edificio di riferimento Acqua calda sanitaria: Fabbisogni termici ed elettrici.

30 1. Caldaia a condensazione 1. Caldaia a Condensazione Impianto di riscaldamento con caldaia a condensazione (rendimento stagionale 1.01) con produzione combinata Riscaldamento e ACS.

31 7.a PdC (A/W)+resistenze el. 7.a PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione Pdc ad A/W funz. bivalente-alternativo, Q b =3.8 C, Q cut-off =3.8 C.

32 7.b PdC (A/W)+resistenze el. 7.b PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione Pdc ad A/W funz. bivalente-parallelo, Q b =3.8 C, Q cut-off =-5 C.

33 7.c PdC (A/W)+resistenze el.+fv 7.c PdC elettrica (A/W), Resistenza Elettrica e Fotovoltaico Pdc ad aria bivalente parallelo, Q b =3.8 C, Q cut-off =-5 C, PV da 12 kwp per 80 m 2.

34 5. PdC (A/W)+caldaia 5. PdC elettrica (A/W) e Caldaia a Condensazione Pdc aria-acqua bivalente-alternativo, Q b =3.8 C, Q cut-off =3.8 C. Caldaia a condensazione (rendimento 1.01).

35 6. PdC (A/W)+caldaia+FV 6. PdC elettrica (A/W), Caldaia a Condensazione e Fotovoltaico Come caso 5. + PV da 12 kwp (80 m 2 ), Si monocristallino, moduli molto ventilati, azimuth 0 e inclin. 25.

36 Confronto dei Risultati Configurazione QR (%) EP tot (kwh/m 2 anno) EP tot,lim (kwh/m 2 anno) Caldaia a Condensazione PdC elettrica (A/W) + integrazione elettrica (funz. alternativo) PdC elettrica (A/W) + integrazione elettrica (funz. parallelo) PdC elettrica (A/W) + integrazione elettrica (parallelo) + 12 kwp PV